井下繩索取芯技術研究與實踐

【摘 要】井下的地質前探鉆孔及部分放水鉆孔設計要求全孔取芯，現場以普通回轉鉆進，單管或雙管提鉆取芯鉆進工程中，過破碎帶時，易造成巖芯采取不完整、取芯率低、甚至取不到芯，且鉆進效率低下，影響了鉆孔質量和施工進度。為改變這一現狀，將地面固體礦產勘探繩索取芯鉆探技術引入到井下。通過調研認為，在巷道高度和寬度允許的條件下，通過對鉆機進行改進、繩索取芯裝備進行改造，可以將繩索取芯技術的優勢充分應用于井下。鉆進效率、巖芯采取率進一步提高，生產成本和工人勞動強度也在降低。

【關鍵詞】繩索取芯；下向鉆孔；取芯率

淮南礦業集團潘二礦A組煤11223首采工作面，底板（1煤）距C31灰巖頂板平均距離8～15m，最小距離僅9m，按-520m標高推算，其正常水壓達5.2MPa以上，1煤底板每米隔水層最大抗水壓達0.58Mpa，是淮南礦區A組煤開采底板抗水壓限定值0.05Mpa/m的11.6倍，遠遠超出A組煤開采安全水壓限定值。因此，要實現區內A組煤的安全開采，必須要對底板高承壓灰巖水進行疏水降壓和治理。井下的地質前探鉆孔及部分放水鉆孔設計要求全孔取芯，現場以普通回轉鉆進單管或雙管提鉆取芯，巖芯采取不完整，采取率低，甚至取不到芯，且鉆進效率低下。為改變這一現狀，我們設想能否將地面固體礦產繩索取芯鉆探技術引入到井下。通過調研認為：在巷道高度和寬度允許的條件下，通過對鉆機進行改進、繩索取芯裝備進行改造，可以將繩索取芯技術應用于井下。

一、繩索取芯鉆具結構及技術原理

繩索取芯與提鉆取芯所用設備基本相同：鉆機、泥漿泵等，關鍵不同點在于鉆具。提鉆取芯的鉆具由水接頭、鉆桿、鉆鋌、螺絲頭、巖芯管、取芯鉆頭等組成，結構簡單，但每提取一管巖芯必須起下一次鉆具，效率低，巖芯也不完整。繩索取芯的鉆具由水接頭、取芯鉆桿、外管總成、內管總成、打撈器、取芯鉆頭等組成，雖然結構較為復雜，但提取巖芯時只需通過打撈器將內管提出、取下巖芯，再將內管送入外管中，只要鉆頭沒有損壞，就不需要一根一根地起下鉆桿，節約了大量的起下鉆具時間，效率高。繩索取芯鉆具的外管總成、內管總成、打撈器三個主要部件結構如下：

（一）外管總成：它由變徑接頭、上擴孔器、彈卡擋頭、彈卡室、座環、外管、扶正環、下擴孔器、鉆頭等部件組成，其作用是傳遞鉆壓和扭矩、帶動鉆頭進行鉆進。其中：上擴孔器對鉆具起著導正作用。外管下端安有扶正環，提高內管的穩定性和與鉆頭的同軸度，使巖芯順利地進入到內管，從而提高采取率。

（二）內管總成：內管總成的作用主要是單動通水、容納和提取巖芯。有以下機構：

1、打撈機構：由撈矛頭、矛頭座、銷、回收管等組成。當打撈鉤抓住撈矛頭向上提升時，帶動回收管上移，迫使彈卡合攏，脫離了彈卡擋頭的限制，繼而將內管總成提升上來。

2、彈卡機構：由彈卡、彈卡架、圓錐桿、彈卡擋頭、彈卡室、彈簧及其一些附件組成。其作用是內管總成到位后，彈卡在彈簧和圓錐桿的作用下張開，并貼在彈卡室的內壁上被鎖定，其上端受彈卡擋頭的限制，使內管總成不會向上竄動。當打撈內管總成時，圓錐桿在矛頭座的帶動下外行，解除了對彈卡的限制，與此同時回收管將彈卡合攏，脫離了彈卡的限制，繼而提升內管總成。

3、到位報信機構：由套、鍵、卡簧圈等組成。此三件安裝在回收管的下端，利用套的旋移改變彈卡架下部進水孔的過水斷面。投入內管總成后，當環坐到座環上時，內管總成與外管的環狀水路被堵，迫使沖洗液全部流入彈卡架下部的進水孔。由于過水斷面變小，泵壓升高，告之內管總成已到位。

4、報警機構：由套、鍵、卡簧圈、閥片等組成。當巖芯滿管或堵塞時，巖芯頂著內管上行壓脹閥片，從而減少了環狀過水斷面，導致泵壓升高，警示燒鉆。

5、取芯機構：由內管、卡簧擋圈、卡簧、卡簧座等組成。其作用是容納和卡取巖芯。

6、內管水壓平衡機構：由接頭和鋼球組成。在鉆進中巖芯不斷地進入內管，使內管中的水壓增高，頂開鋼球溢出，保持內管水壓平衡，使巖芯順利進入。當提升內管時，內管總成外部的水壓增高，由于鋼球封閉了內管，使內管中的水壓不變，從而防止了巖芯脫落。

（三）打撈器 ：它是繩索取芯鉆具的重要組成部分，具有打撈內管、送入內管等功能。其結構和工作原理如下：

1、打撈機構：由打撈鉤、彈簧、銷等組成。當采取巖芯時，將打撈器下入鉆桿內，在水壓的作用下到達內管總成的上端，打撈鉤抓住撈矛頭，牽動內管總成的打撈機構，將其提升上來。

2、提升機構：由繩卡外套、軸、軸套、軸承等組成。其作用是連接鋼絲繩進行提升，并通過軸承保護鋼絲繩不扭動。

二、設備改進

鉆進設備選用西安院生產的ZDY3200S型鉆機，因井下的施工環境相對較小、繩索取芯鉆桿外徑為89mm、且需要提取巖芯內管總成等原因，所以對鉆機進行了部分改造。

（一）鉆機動力頭：將鉆機動力頭和夾持器的通孔直徑由73㎜調整為89㎜，滿足取芯鉆桿的進出需求。

（二）提升裝置：1、在鉆機操作臺上增加了控制卷揚機操作閥（如圖1）。

圖1改裝后的鉆機操作臺

2、在鉆機主機上增加了卷揚機、支撐桿、尾輪，用于提升內管（如圖2）。

圖2 改裝后的鉆機主機

（三）水接頭：在水接頭上增加了卸壓三通，用于控制水壓。

三、現場試驗

試驗地點選在潘二礦11223底板巷。試驗為灰巖放水孔，設計孔深63米，傾角-12°，0-21米孔段孔徑∮153，下∮127套管護孔，21-63米孔段孔徑∮95。

在孔口外端下入∮127套管并做完止水檢查合格后，從21米開始繩索取芯鉆進。主要操作步驟如下：

（一）將鉆頭、外管總成與第一根鉆桿接好，通過鉆機動力頭、夾持器加接鉆桿把鉆頭、外管總成送入孔內。

（二）將內管總成放入鉆桿內。當俯角在0°～40°之間時，則將水接頭與鉆桿連接好，利用水壓將內管總成壓入孔底；當鉆孔俯角大于40°時，利用繩索直接送入，

這時內管總成依靠本身自重下入孔底。

（三）開動鉆機，當內管巖芯取滿后，停止鉆機轉動，打開水接頭，將打撈器送入孔內，方法同上（俯角大，依靠自重；俯角小用水壓入），打撈器自動和內管打撈機構相碰接合。

（四）連接水接頭，開動提升絞車，將內管總成提至孔口，打開水接頭，取出巖芯。重復以上操作鉆進到C33下灰巖底板1m處，施工結束。本輪鉆進共進尺42米（21～63米），實際施工7個小班，平均每小班6米，比提鉆取芯每小班2米的取芯效率提高了3倍。

第二個鉆孔設計70.6米，0～21米段按放水孔要求采用下套管護孔，21～70.6米（終孔）段采用繩索取芯工藝，從2月23日中班至2月26日夜班共8個小班，平均每小班進尺6.2米。

經現場鑒定：采用繩索取芯，灰巖取芯率達90.6%，破碎帶取芯率達88.2%，比普通取芯工藝的取芯率（50%～60%），有了大幅度提高。

四、下一步工作

（一）改變外管、內管及打撈器的規格，使此項技術可直接應用到普通ZDY3200S鉆機中。

（二）改進水接頭裝置，改進鉆機結構，簡化施工程序，提高工效。

（三）進行不同質條件下的取芯試驗工作，成熟井下繩索取芯鉆進技術，制定井下繩索取芯施工規范。

五、結論

（一）效果。繩索取芯的巖芯采取率高，特別是破碎帶用普通方法很難取到芯，采用繩索可采取巖芯80%以上，現場發現灰巖中含0.3m的煤線取芯都較完整。

（二）效率。采用繩索取芯較普通方法效率提高約3倍，平均每小班達6m以上，特別是深孔效率更加顯著。

（三）可靠。采用繩索取芯不需要頻繁起下鉆，避免了打叉孔等孔內事故，同時也提高了判層的準確性。

（四）前途。下一步，繩索取芯技術可作為礦井井下勘探的一種手段進行嘗試。

（五）啟發。井下繩索取芯和井下掏穴增透均是把地面勘探的技術引入到井下，我們堅信通過努力，把地面測井、地面打鉆工藝等技術引入到井下也一定是可行的。